一维Si3N4的合成与调控

摘要

Si3N4材料具有高强度、高模量、耐高温、高热导率、抗氧化、耐腐蚀和低热膨胀系数、低介电常数和介电损耗等一系列优异的物理化学性能，在冶金、机械、化工、电子、国防、能源等领域获得了广泛应用。一维Si3N4与其块体材料相比，具有更均一的显微结构、更高的比表面积和表面能，表现出更优异的力学性质、热学性质和半导体性质，在复合材料、微电子、微纳器件等方面有很大的应用潜力。然而，目前研究主要集中在一维Si3N4形貌和物性方面，其合成方法产率低且成本高。由于一维Si3N4在逐渐应用表现出的优良效果，各相关领域对其迫切需求凸显，因此，合成出满足工业实用的高纯度、高分散的一维Si3N4显得尤为重要。　　本研究采用Si粉直接氮化法合成一维Si3N4，通过X射线衍射、扫描电镜和拉曼光谱等对氮化产物进行表征，探讨了负载形式、Si粉粒度和纯度、氮化制度及催化剂种类等因素对一维Si3N4物相、含量、形貌和结构的影响。研究结果表明：　　(1)Si粉堆积越疏松、粒径越小，氮化率越高，合成的一维Si3N4分散性越好，且其直径大小随Si粉粒径减小而减小，Si粉纯度对Si3N4物相含量有显著影响。疏松堆积的Si3N4含量高达97.9％，其中α-Si3N4含量高达71.6%，一维Si3N4分散良好、尺寸均一。粒径最小(1μm)的Si粉氮化产物中Si3N4含量高达99.1%，且由于反应自升温显著而提高了β-Si3N4含量，一维Si3N4直径均一(约200nm)；而粒径为5μm的Si粉合成的一维Si3N4尺寸较大，直径在800nm左右；β-Si3N4发生取向生长而多以一维形貌存在，Si3N4颗粒则多为α-Si3N4。纯度为98.5%的Si粉因其杂质催化作用反而比99.9%的高纯Si粉氮化产率高。　　(2)纯NH3气氛下，在氮化反应剧烈的温度区间(1300-1380℃)内，升温速率慢的(用时2h)比升温速率快的(用时1h)Si粉氮化率高，Si3N4含量高达96.9%，且含有大量直径达1.5μm的棒状Si3N4，用时较短的合成产物多以熔融Si和Si3N4颗粒存在；在不同的气氛下，以相同的升温速率(用时1h)升温至1380℃，纯N2气氛明显比纯NH3气氛Si粉氮化效果好，Si3N4含量接近100%，含有大量分散良好且直径均一的一维Si3N4。　　(3)催化剂种类对一维Si3N4的形貌具有显著的调控作用。Y和Ce可促进其直径增大(最大约1μm)，但均有残余球形颗粒出现，而Li可合成出直径最小约50nm的一维Si3N4；在Mg和Ca作用下合成的一维Si3N4表面光滑、直径均一(500-600nm)，但前者合成的一维Si3N4含量明显多于后者。

目录

声明

1绪论

1.1一维材料

1.2 Si3N4材料

1.3一维Si3N4

1.4选题背景

2实验

2.1原材料

2.2试样设计与制备

2.3测试与表征方法

3 Si粉负载形式、粒度和纯度对一维Si3N4的影响

3.1负载形式的选择

3.2 Si粉粒度和纯度的影响

3.3本章小结

4氮化制度和催化剂对一维Si3N4的影响

4.1氮化制度的影响

4.2催化剂对形貌的控制作用

4.3本章小结

5一维Si3N4的表面包覆改性

5.1 ZrO2溶胶包覆Si3N4晶须

5.2 TiO2溶胶包覆Si3N4晶须

5.3本章小结

6结论

参考文献

附录硕士研究生期间发表论文

致谢